Beispielkonfiguration von Ultraschallreaktoren für die Desintegration von Biogassubstrat

Die Ultraschall-Rohrreaktoren dienen zur Steigerung des Biogas-Ertrages in landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Dabei wird das Substrat aus dem Fermenter kontinuierlich durch die Ultraschall-Reaktoren geleitet und mittels intensiver Kavitation aufgeschlossen. Durch die mechanische Zerkleinerung wird der biologische Abbau optimiert und es kann aus derselben Menge Substrat mehr Biogas gewonnen werden.

Einsatz der Ultraschallreaktoren in Containerbauweise

Nutzung von Ultraschall zum Aufschluss von Biogassubstrat

Bei der Einwirkung von Ultraschall oberhalb einer Frequenz von 20 kHz und einer Schallintensität von 0,1 W/cm² auf flüssige Medien bilden sich aufgrund der starken Wechselbeanspruchung sogenannte Kavitationsblasen. Diese feinsten Hohlräume mit geringem Druck resultieren aus der Trägheit des Mediums und der induzierten mechanischen Bewegung. Durch den äußeren Druck des Mediums implodieren die Blasen anschließend unter hohen Druck- und Temperaturspitzen. Dabei entstehen hohe Scherkräfte an der Grenzschicht. Der Effekt löst das akustisch wahrnehmbare Rauschen von Hochleistungs-Ultraschallgeräten.

Die bei der Kavitation entstehenden Scherkräfte an der Fest-Flüssig-Grenzschicht werden zur Zerkleinerung und Desintegration der zusammenhängenden Partikeln in flüssigen Medien genutzt. Aufgrund der vergrößerten Oberfläche der Substratpartikel wird die Hydrolyse des Biogassubstrates beschleunigt und der biologische Abbau beschleunigt. Darüber hinaus wird der Abbau der Biomasse durch die Freisetzung von intrazellulären Enzymen zusätzlich verbessert. Mit dieser Methode kann ein Teil jenes Gaserzeugungspotentials erschlossen werden, welcher bisher die Biogasanlage ungenutzt mit dem Gärrest verlassen hat. 

Die Zerkleinerungswirkung der Kavitation ist so intensiv, dass Alufolie in einem Ultraschall-System nach wenigen Sekunden zersetzt wird. Der Alufolientest dient daher zur Überprüfung der Funktion von Ultraschallgeräten

Bei der Ultraschallerzeugung wird zwischen Flächenschwingsystemen, bei denen die Ultraschallschwingungen z.B. über eine Gehäusewand übertragen werden, und Stabschwingsystemen unterschieden. Bei letzteren erfolgt der Schalleintrag durch stabförmige, als Sonotroden bezeichnete Schwingsysteme. Dabei wird die gesamte Leistung über eine relativ kleine Fläche an der Spitze der Sonotroden in das Medium übertragen. Aufgrund der hohen mechanischen Wechselbeanspruchung und Energiedichte unterliegen die Sonotroden einem starken Verschleiß durch Materialabtrag und müssen deshalb beim Einsatz in der Biogas-Erzeugung in regelmäßigen Abständen erneuert werden. Um eine Einkoppelung der Ultraschallleistung zu ermöglichen, müssen die Sonotroden immer axial im Innern der Rohrleitungen eingebaut werden, woraus eine große Verstopfungsgefahr resultiert. Dies führt zu einem erhöhten Ausfallrisiko und damit zur Notwendigkeit von vorbeugenden Rückspülungen im System. Bei den von BANDELIN produzierten Flächenschwingsystemen erfolgt die Leistungsabgabe hingegen über die gesamte Rohrinnenwand des Rohrreaktors und beugt damit einem schnellen Verschleiß des Ultraschall-Systems vor. Die piezokeramischen Ultraschall-Wandler, von außen mit dem V4A-Reaktorrohr verbunden. Somit wird ein freier Durchfluss des Biogassubstrates ermöglicht. Eine Verstopfung kann daher ausgeschlossen werden.

Schema einer implodierenden Kavitationsblase

 

Beispielabbildung einer Sonotrode (Boosterhorn)

Rohrreaktor

Das zentrale Element des Ultraschall-Systems bilden die Ultraschall-Rohrreaktoren mit einer Leistung von jeweils 2.000 Watteff. welche das Biogas-Substrat mittels intensiver Kavitation besonders wirkungsvoll aufschließen bzw. desintegrieren. Bei dem BANDELIN-Rohrreaktor SONOBLOC handelt es sich um ein Hochleistungs-Ultraschall-System nach dem Flächenschwingprinzip. Die 48 piezokeramischen Ultraschallwandler sind zu vier Wandlerschienen zusammengefasst und von außen mit dem V4A-Edelstahlreaktorrohr verbunden. Zum Schutz der Ultraschallsysteme ist der Rohrreaktor mit einem strahlwassergeschützen Edelstahlgehäuse ausgestattet sowie mit Standfüßen versehen. Die Verrohrung erfolgt über das zuverlässige Victaulic-System, wodurch eine effektive Entkoppelung der Ultraschallschwingungen von der weiteren Verrohrung erreicht wird. Der Rohrreaktor wird über zwei Hochfrequenz-Leitungen mit dem sogenannten Ultraschallgenerator verbunden, welcher die netzseitige Frequenz von 50 Hz auf die für den Ultraschall erforderliche Hochfrequenz von 25 kHz wandelt.

Weitere Rohrreaktoren finden Sie auf unserer Reaktorseite.

SB 101-2002

Schnittansicht SB 101-2002

Beispielhaftes Anlagenschema mit zwei Rohrreaktoren

Mithilfe einer Exzenterschneckenpumpe wird das zu beschallende Substrat in diesem Aufbau mit einem Volumenstrom vom etwa 1.000 l/h aus dem Fermenter der Biogasanlage entnommen und nach der Beschallung in den Fermenter zurück geleitet.

Anlagenschema des Ultraschall-Systems

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Beachten Sie passend zum Thema unsere Infoseite zur Ultraschallreinigung von Zündkerzen aus Gasmotoren:

Mit einem leistungsstarken Ultraschallbad und einem speziell zu dieser Anwendung passenden Reinigungspräparat werden die Zündkerzen Ihres BHKWs gründlich von Ablagerungen aus dem Biogas befreit und gewährleisten eine optimale Verbrennung und damit einen hohen Wirkungsgrad Ihres Motors. 

BHKW Zündkerze nach der Ultraschallreinigung

Der Alufolientest zur Prüfung von Ultraschall-Geräten

Der Alu-Folientest nach IEC 886 verdeutlicht die zerkleinernde Wirkung der Ultraschall-Kavitation. Nach wenigen Sekunden ist die Alufolie durch den Ultraschall mechanisch zerkleinert. In Biogas-Anlagen wird mit diesem Effekt das Biogas-Substrat im Ultraschall-Rohrreaktor zerkleinert und für den biologischen Abbau in feinste Partikel aufgeschlossen.